三大技術(shù)對抗日光噪聲，量子衛(wèi)星有望白天上崗｜前沿
?日光條件下自由空間的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)鳥瞰圖。來源：Liao, Sheng-Kai,et al. Nature Photonics, 2017
撰文 | 林 梅
責(zé)編 | 陳曉雪
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目前的量子密鑰傳輸只能在沒有日光的黑夜進(jìn)行，對于量子通信技術(shù)而言，是一個必去之而后快的重大挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志、張強(qiáng)、廖勝凱等組成的研究小組，終于在白天實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離（53千米）自由空間的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。這在國際上屬于首次。
這一突破通過地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了日光條件下星間和星地之間量子密鑰分發(fā)（QKD）的可行性，為未來構(gòu)建基于量子衛(wèi)星的星地、星間量子通信網(wǎng)絡(luò)掃清了一大關(guān)鍵技術(shù)障礙。
7月24日，《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）刊發(fā)了這一研究。
1“星座”怕太陽
對于量子衛(wèi)星“墨子”來說，如果僅靠它單兵作戰(zhàn)，至少需要三天才能完成全球范圍內(nèi)地面站點(diǎn)的覆蓋。所以，“墨子”只是一個起點(diǎn)，從實(shí)用的角度來說，必須要構(gòu)建由多顆低軌道衛(wèi)星或高軌道衛(wèi)星組成的量子星座，建立覆蓋全球的實(shí)時量子通信網(wǎng)絡(luò)。
可是，這種星座網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)有兩大技術(shù)難題。
首先，現(xiàn)有的技術(shù)手段只能讓衛(wèi)星在太陽照不到的地影區(qū)工作。衛(wèi)星害怕太陽光帶來的背景噪聲，微弱的信號光會淹沒在強(qiáng)大的陽光里，因此只有當(dāng)衛(wèi)星繞到地球背面，太陽光被地球擋住時，衛(wèi)星才能成功傳送信號光。而且，對衛(wèi)星來說，黑夜和白天的時間還不等長，從下圖可以看到，衛(wèi)星越高，它能避開太陽光的幾率就越小，對一個軌道高度36000千米的地球同步軌道衛(wèi)星來說，能躲進(jìn)地影區(qū)的概率不到1%。
另外一個難題是，對于實(shí)用化的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來說，通信距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致的鏈路損耗較大，通信鏈路損耗典型值大于40dB，在這個損耗下，若噪聲大則很難安全成碼。之前有人嘗試開展過相關(guān)白天量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，最多也只能在鏈路損耗約為20dB的狀態(tài)下成碼，難以符合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)40dB以上的實(shí)際損耗情況，因而不能運(yùn)用在實(shí)際的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)里。
歸根結(jié)底，還是太陽光帶來的背景噪聲太強(qiáng)了（白天陽光照射噪聲是夜晚的5個數(shù)量級以上），如何盡量減少這個噪聲，提高信噪比，才是克服這一障礙的關(guān)鍵。
?量子星座為基礎(chǔ)的量子通信網(wǎng)絡(luò)示意圖。
（子圖a：不同波段大氣透過率曲線，1550nm波段約高于810nm波段；子圖b：太陽光譜分布圖，1550nm波段輻照度約為810nm波段的1/5）。來源：Liao, Sheng-Kai,et al. Nature Photonics, 2017
2三大技術(shù)對抗日光噪聲
為了對抗日光帶來的背景噪聲，潘建偉團(tuán)隊(duì)使用了三項(xiàng)技術(shù)：巧妙選擇工作波長+上轉(zhuǎn)換單光子探測技術(shù)+自由空間光束單模光纖耦合技術(shù)。
首先，工作波長的選擇很關(guān)鍵。由于噪聲來源于太陽光，無論是直射光還是散射光，太陽光譜中波長為1550納米（nm）的光成分較低，大氣散射對該波段散射也較小，針對這個特點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)用1550nm波段的光子代替了之前700-900nm波段光子，并優(yōu)化了光學(xué)系統(tǒng)，將噪聲降低超過一個數(shù)量級。
這次實(shí)驗(yàn)所用的單光子探測器，一直是量子通信領(lǐng)域的一個重要課題，其中，上轉(zhuǎn)換單光子探測器是三大主流探測器之一[1]。上轉(zhuǎn)換單光子探測器的核心實(shí)際上是一個非線性的和頻過程，它將1550nm的信號光和1950nm的泵浦光一起通過波分復(fù)用器[2]進(jìn)入波導(dǎo)[3]，在符合一定條件下，轉(zhuǎn)換為和頻后的可見光，之后再通過一系列的濾波技術(shù)將殘余光和噪聲濾掉，最后進(jìn)入光纖，被硅雪崩光電二極管[4]探測。這個過程中，科研人員要考慮的因素有很多，比如非線性過程產(chǎn)生的各種噪聲如何去除？如何實(shí)現(xiàn)光譜維度的窄帶濾波，盡可能在保持單光子高效探測的同時降低噪聲？所選用的光學(xué)器件是否易于集成和調(diào)試？都是需要綜合考慮的問題。最終，利用上轉(zhuǎn)換單光子探測技術(shù)，噪聲被降低約兩個數(shù)量級。
第三個就是發(fā)展自由空間光束單模光纖耦合技術(shù)。在自由空間光通信系統(tǒng)中，空間光束到單模光纖(SMF)的耦合技術(shù)是自由空間光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是為了使自由空間光束的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去。其中，耦合效率固定的單模光纖耦合使用非常廣泛。以往的空間濾波系統(tǒng)存在一個令人尷尬的矛盾：利用單模光纖耦合，可以有效減小光學(xué)視場，進(jìn)而減小噪聲，但是以往實(shí)驗(yàn)中的單模光纖耦合效率極低，只有0.1%，難以滿足量子通信的需要。本次試驗(yàn)中，科研人員發(fā)展了自由空間光束單模光纖耦合技術(shù)，采用最少的光學(xué)元件來搭建系統(tǒng)，并發(fā)展了光學(xué)跟蹤系統(tǒng)來穩(wěn)定耦合效率，最終完美調(diào)和了高效耦合和窄視場濾波的矛盾，降低噪聲約兩個數(shù)量級，同時耦合效率可達(dá)5％-30%。
3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
青海湖的兩岸相距53公里，在太陽光下，發(fā)送方Alice和接收方Bob各安其位，準(zhǔn)備再一次展示基于誘騙態(tài)的BB84協(xié)議[5]。
發(fā)送方Alice隨機(jī)調(diào)制幾種不同光強(qiáng)信號態(tài)、誘騙態(tài)和真空態(tài)，光脈沖穿過自由空間，被對岸的Bob接收，光子通過前面說到的單模光纖進(jìn)入Bob的探測系統(tǒng)，Bob選取測量基矢，利用上轉(zhuǎn)換探測器探測后，發(fā)送到時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行記錄分析。
研究小組在1756秒的有效時間內(nèi)得到了157179比特。結(jié)果表明，在全鏈路衰減48dB（大于星地、星間鏈路衰減，其中包括14dB的單模光纖耦合損耗和34dB的信道損耗）情況下，誤碼率最低達(dá)到1.65%，安全密鑰成碼率達(dá)到~150 bps，驗(yàn)證了太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發(fā)的可行性，為下一步構(gòu)建量子星座打下基礎(chǔ)。
事實(shí)上，據(jù)潘建偉團(tuán)隊(duì)介紹，這次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)沒有達(dá)到技術(shù)極限，各項(xiàng)技術(shù)的使用都還有改善的空間?？梢灶A(yù)見，未來的星座網(wǎng)絡(luò)，安全傳輸距離和成碼率都還會有大幅度的提高。
名詞解釋：
[1]另外兩類分別是是超導(dǎo)探測器和銦鎵砷雪崩二極管單光子探測器。
[2]波分復(fù)用器：將一系列載有信息、但波長不同的光信號合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各個不同波長的光信號分開的通信技術(shù)
[3]波導(dǎo)：用來定向引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)。
[4]硅雪崩光電二極管：一種p-n結(jié)型的光檢測二極管，其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。
[5]BB84協(xié)議：第一個量子密碼通信協(xié)議,由美國科學(xué)家Charles Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)科學(xué)家Gilles Brassard于1984年創(chuàng)立，屬于量子密鑰分發(fā)的范疇，它基于單粒子載體，易于實(shí)現(xiàn)，安全性已被嚴(yán)格證明，是唯一被商業(yè)化實(shí)現(xiàn)的量子密鑰分發(fā)協(xié)議；隨后科學(xué)家Won-Young Hwang, Xiang-Bin Wang, Hoi-Kwong Lo等人提出可以抵御光子數(shù)分離攻擊（photon number splitting）的誘騙態(tài)協(xié)議，擴(kuò)展了安全通信距離，進(jìn)一步推動了量子密鑰分發(fā)實(shí)用化進(jìn)程。
參考文獻(xiàn)：
Liao, Sheng-Kai,et al. Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towardsinter-satellite communication.” Nature Photonics (2017).
doi:10.1038/nphoton.2017.116
制版編輯：斯嘉麗丨
